DE4309724A1

DE4309724A1 - Verfahren zur temperaturabhängigen Dunkelstromkompensation bei CCD-Bildsensoren

Info

Publication number: DE4309724A1
Application number: DE4309724A
Authority: DE
Inventors: Martin Landis
Original assignee: Kodak GmbH
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1993-03-25
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2013-03-26
Also published as: DE4309724C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur temperaturabhän gigen Dunkelstromkompensation bei CCD-Bildsensoren, mit ab gedeckten Dunkelpixeln.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dunkelstromkompen sation und zur Kompensation der thermischen Drift einer CCD- Einheit wird in der PCT-Anmeldung WO 89/10037 vorgestellt. Dieses Verfahren erlaubt die Kompensation des Dunkelstroms einer CCD-Einheit und auch die Kompensation aller tempera turbedingten Änderungen der Ausgangsspannungen der Bauteile der zugehörigen Schaltungselemente. Dabei wird das Ausgangs signal einiger abgedeckter Zellen benutzt, um den Dunkel strom zu bestimmen. Die analogen Ausgangsspannungen der Zellen werden in digitale Worte umgewandelt und mit einem vorbestimmten Wort, repräsentativ für den Dunkelstrom bei einer ausgewählten Temperatur, verglichen. Abweichungen zwischen den Worten sind auf thermische Drift zurückzu führen. Aufgrund des Vergleichs der beiden Worte wird dann der Arbeitspunkt des Verstärkers entsprechend verändert, um somit den Einfluß von Temperaturänderungen auf den Dunkel strom zu kompensieren.

Im Dokument EP-A-0 439 357 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgestellt, mit dem Ungleichförmigkeiten zwischen den einzelnen CCD-Zellen ausgeglichen werden können. Hiermit werden sowohl Dunkelstromunterschiede als auch Unterschiede in der Empfindlichkeit der einzelnen Zellen bei Beleuchtung kompensiert. Dazu wird für jede Zelle eines CCD-Arrays ein 8-bit langes Wort gespeichert, wobei die ersten beiden Bits eines Korrektur-Bytes den Dunkelstrom repräsentieren. Die sechs folgenden Bits stellen ein Korrekturwort für Licht empfindlichkeit dar. Die Verwendung von zwei Bits erlaubt es, vier verschiedene Niveauwerte der Dunkelstromkompensa tion zu speichern, die zur Korrektur aus einem RAM ausge lesen werden können. Die Daten für die Dunkelstromkompen sation und der Kompensation für die Lichtempfindlichkeit werden mit den ausgelesenen Signalen der CCD-Einheit verar beitet. Daraus resultiert eine Kompensation, die individuell auf die einzelnen Zellen der CCD-Einheit abgestimmt ist. Eine temperaturabhängige Kompensation des Dunkelstroms ist mit diesem Verfahren nicht vorgesehen. Ferner stehen hier nur vier verschiedene digitale Worte oder Niveaus zur Ver fügung. Dies erlaubt in keinem Fall eine Feinkompensation.

In der Offenlegungsschrift DE-A-40 24 570 ist ebenfalls eine Anordnung zur Dunkelstromkompensation in einem Bildprozessor veröffentlicht. Die hier vorgestellte Anordnung weist einen CCD-Bildwandler auf, bei dem ebenfalls einige Zellen gegen Beleuchtung abgeschirmt sind, so daß diese Detektorstellen ein Ausgangssignal erzeugen, das den Dunkelstrom des Bild wandlers anzeigt. Beim Heraustakten der elektrischen Signale der Dunkelstrombildelemente stellt eine Verknüpfungs schaltung fest, ob irgendeines einiger niedrigstwertiger Bits der Multi-Bit-Zahlen einen vorgegebenen logischen Pegel hat. Ein von der Verknüpfungsschaltung gesteuerter Schalter lädt einen Kondensator mit einem Konstantstrom in einer solchen Weise, daß die Spannung am Kondensator den Betrag des Dunkelstroms im Bildwandler-Ausgangssignal darstellt. In einer Subtrahierschaltung wird die Kondensatorspannung vom Ausgangssignal des Bildwandlers subtrahiert, so daß das Bildsignal gegenüber den Auswirkungen des Dunkelstroms kom pensiert ist. Aus dieser Vorrichtung ergibt sich jedoch wie derum der Nachteil, daß ein konstanter Spannungswert von allen Bildelementen subtrahiert wird. Individuelle Unter schiede der einzelnen Bildpunkte in ihrem Dunkelstromver halten werden dabei nicht berücksichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Dunkelstromkompensation zu schaffen, bei dem für jeden Bild punkt des CCD-Bildsensors das Ausgangssignal des CCD-Bild sensors nach den temperaturabhängigen Dunkelstrom korrigiert wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die folgen den Verfahrensschritte ausgeführt werden:

a) Einmaliges Ermitteln der individuellen Dunkelstrompara meter a*_i, und b_i für jedes Bildpixel des vollständig abgeschirmten CCD-Bildsensors,
b) Bestimmen der momentanen Sensortemperatur anhand der für die abgedeckten Dunkelpixel ermittelten Dunkel stromparameter,
c) Berechnung des temperaturabhängigen Dunkelstroms für jedes einzelne Bildpixel und
d) Berechnung der individuellen Bildsignale des CCD-Bild sensors (4), die gegenüber dem temperaturabhängigen Dunkelstrom kompensiert sind.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, daß bei der Dunkelstromkompensation eines CCD-Bildsensors das Ausgangssignal eines Bildpixels gegen den dazugehörigen individuellen Dunkelstrom kompensiert wird. Ferner werden bei diesem Verfahren ebenfalls temperaturbedingte Schwankun gen des individuellen Dunkelstromes mit berücksichtigt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungs gemäßen Verfahrens liegt vor, wenn die Dunkelstromparameter des CCD-Bildsensors vor dem Einbau in ein Gerät bestimmt werden. Alternativ hierzu ist es ebenfalls möglich die Dun kelstromparameter bei fertig montiertem Gerät zu ermitteln. Die berechneten Parameter werden zur späteren Verwendung auf herkömmlichen elektronischen Speichereinrichtungen abgelegt. Wie bei allen handelsüblichen CCD-Bildsensoren sind einige Bildpunkte gegen Beleuchtung abgeschirmt. Diese Sensoren geben während der Bildaufzeichnung einen Dunkelstrom ab, aus dem sich unter Verwendung der zugehörigen Dunkelstrompara meter die Sensortemperatur errechnen läßt. Aus der berech neten Sensortemperatur und den individuellen Dunkelstrom parametern wird der Dunkelstrom von jedem einzelnen Bild pixel berechnet. Dieser Dunkelstrom wird mit der Belich tungszeit multipliziert. Das somit erhaltene individuelle Dunkelsignal wird von dem individuellen Bildsignal subtra hiert, woraus dann ein gegen den Dunkelstrom kompensiertes Nutzsignal resultiert.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungs beispiels wird der Gegenstand der Erfindung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in der

Fig. 1 ein Flußdiagramm des Verfahrens zur Ermittlung der Dunkelstromparameter der individuellen Bildpixel eines CCD-Bildsensors und

Fig. 2 ein Flußdiagramm des Verfahrens zur temperatur abhängigen Dunkelstromkompensation.

Der in Fig. 1 dargestellte Ablaufplan beschreibt das erfin dungsgemäße Verfahren. Zur Bestimmung der individuellen Dun kelstromparameter a*_i, b_i (a*₁, b₁; a*₂, b₂; . . . a*_n, b_n) aller n auf dem CCD-Bildsensor 4 vorhandenen Pixel i wird der CCD- Bildsensor 4 mittels einer Abschirmung 2 vollständig gegen die Beleuchtung abgeschirmt. Bei mindestens zwei, sich unterscheidenden, Temperaturmeßpunkten T₁ und T₂ werden die Dunkelströme I_di der einzelnen Pixel gemessen. Da die Dunkelströme I_di bei abgedecktem CCD-Bildsensor 4 ermittelt werden, ist der individuelle Dunkelstrom I_di dem Dunkel signal S_di gleichzusetzen. Die für die Dunkelströme reprä sentativen elektrischen Signale werden aus dem CCD-Bild sensor 4 ausgetaktet und einer Datenverarbeitungseinheit 6 zugeführt, in der die individuellen Dunkelstromparameter a*_i. und b_i berechnet werden. Hierzu dient folgende Gleichung:

I_di = a*_i exp-(b_i/T) (1)

In der Gleichung bedeuten
I_di = Dunkelstrom des i-ten Pixels,
a*_i = Dunkelstromparameter des i-ten Pixels,
b_i = Dunkelstromparameter des i-ten Pixels,
T = Temperatur am CCD-Bilsensor.

Die Daten der damit ermittelten Dunkelstromparameter werden für die spätere Verwendung in eine herkömmliche elektro nische Speichereinheit 8 (EPRON, ASIC) abgelegt. Die Bestimmung der Dunkelstromparameter kann sowohl vor als auch nach dem Einbau des CCD-Bildsensors in das jeweilige Gerät erfolgen.

Handelsübliche CCD-Bildsensoren besitzen einige Pixel, die gegen die Beleuchtung abgeschirmt sind. Bei der Bildauf zeichnung durch den CCD-Bildsensor 4 liefern diese Pixel d lediglich den Dunkelsignalanteil. Dieses Signal wird eben falls einer Datenverarbeitungseinheit 10 zugeführt, die aus dem Dunkelsignal und den Dunkelstromparametern die am CCD- Bildsensor vorherrschende Temperatur T berechnet. Die den Dunkelpixeln d zugeordneten Dunkelstromparameter werden aus der elektronischen Speichereinheit 8 abgerufen und für die Temperaturberechnung verwendet. Hierzu muß die Gleichung 1 invertiert werden und man erhält dadurch die Form:

T = b_i/ln(S_di/a*_i) (2)

In der Gleichung bedeutet:
S_di = Dunkelsignal des i-ten abgeckten Dunkelpixels d, wobei S_di sich aus dem Produkt von I_di und t_exp ergibt (t_exp ist die Belichtungszeit).

Die so ermittelte Sensortemperatur wird an eine weitere Datenverarbeitungseinheit 12 übergeben, die die Dunkelströme I_di jedes einzelnen Bildpixels i in Abhängigkeit von der Temperatur berechnet. Dazu werden die ermittelten Dunkel stromparameter a*_i, b_i (a*₁, b₁; a*₂, b₂; . . . a*_n, b_n) aller Pixel i des CCD-Bildsensors 4 aus der Speichereinheit 8 ab gerufen. Das Dunkelsignal S_di der einzelnen Pixel i resul tiert aus der Multiplikation der berechneten Dunkelströme I_di mit der Belichtungszeit t_exp. Diese Daten werden einer letzten Datenverarbeitungseinheit 16 übergeben, die die tem peraturkorrigierten Dunkelsignale S_di von den zugehörigen Bildsignalen S_bi der einzelnen Pixel i des CCD-Bildsensors subtrahiert. Hierzu wird folgende Gleichung verwendet:

S_ni = S_bi - S_di (3)

In der Gleichung bedeutet:
S_ni = dunkelstromkompensiertes Bildsignal des i-ten Pixels,
S_bi = Bildsignal des i-ten Pixels,
S_di = temperaturkorregiertes Dunkelsignal des i-ten Pixels.

Als Resultat aus dem obigen Verfahren erhält man ein Bild signal S_n das aus den dunkelstromkompensierten Bildsignalen S_di der einzelnen Pixel i zusammengesetzt ist. Dieses Ver fahren wird für jedes aufgezeichnete Bild wiederholt und zwar solange bis die Aufzeichnung von Bildern mittels des CCD-Sensors erfolgt. Im Entscheidungselement 18 wird geprüft ob das Kompensationsverfahren noch einmal durchlaufen werden soll. Ist dies nicht der Fall so wird das Verfahren durch das Beendigungselement 20 gestoppt.

Claims

1. Verfahren zur temperaturabhängigen Dunkelstromkompen sation bei CCD-Bildsensoren (4) mit abgedeckten Dunkel pixeln (d) gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Einmaliges Ermitteln der individuellen Dunkelstrom parameter (a*_i und b_i) für jedes Bildpixel (i) vollständig abgeschirmten des CCD-Bildsensors (4),
b) Bestimmen der momentanen Sensortemperatur anhand der für die abgedeckten Dunkelpixel ermittelten Dunkelstromparameter;
c) Berechnung des temperaturabhängigen Dunkelstroms für jedes einzelne Bildpixel (i);
d) Berechnung der individuellen Bildsignale des CCD- Bildsensors (4), die gegenüber dem temperaturab hängigen Dunkelstrom kompensiert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur einmaligen Ermittlung der individuellen Dunkel stromparameter bei mindestens zwei Temperaturmeßpunkten (T_i) die Dunkelstromsignale (S_di) aller Bildpunkte gemessen, und daß an Hand einer Temperaturabhängig keitsbeziehung des Dunkelstroms die Dunkelstrompara meter (a*_i und b_i) für jeden Bildpunkt ermittelt wer den.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Dunkelstromparameter (a*_i und b_i) gespeichert werden, derart , daß sie für die Berechnung des temperaturabhängigen Dunkelstroms abrufbar bereit gestellt sind.